Etude du Comportement de COlonies de FIssures Courtes en corrosion sous contrainte

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1 Etude du Comportement de COlonies de FIssures Courtes en corrosion sous contrainte J. Bolivar, L. Corré, P. Pineau, M. Frégonèse, J. Réthoré, C. Duret-Thual, Olivier Calonne, P. Combrade, F. Bumbieler, A. Proust

2 Plan de l exposé Contexte du projet Etapes du projet ECCOFIC Approche Expérimentale Basse température Moyennes températures et moyennes pressions Approche numérique Caractérisation 3D du comportement des fissures à partir de paramètres 2D Eprouvettes modèles multi-entaillées Conclusions et perspectives 2

3 Contexte du projet ECCOFIC Evaluation de la durée de vie d un composant soumis à la CSC en milieu primaire de REP (Réacteur à Eau sous Pression): Temps d'amorçage des fissures Vitesse de propagation (éprouvettes pré-fissurées). En pratique 1 fissure Multifissuration Coalescence (phases 2-3) Les modèles actuels ne prennent pas en compte les étapes 2 à 3 (cas de REP) Durées de vie sous-estimées coûts de maintenance 3

4 Contexte du projet ECCOFIC Besoin de développer une nouvelle méthodologie d évaluation de la durée de vie (cas de composants pour les REP) Objectif final : Modélisation de l amorçage, de la propagation et de la coalescence de colonies de fissures courtes prédiction plus réaliste de la durée de vie 4

5 Contexte du projet Etapes du projet ECCOFIC Approche expérimentale Basse température Moyennes températures et moyennes pressions Approche numérique Caractérisation 3D du comportement des fissures à partir de paramètres 2D Eprouvettes modèles multi-entaillées Conclusions et perspectives 5

6 Etapes du projet ECCOFIC 2 grands volets de travail: Approche expérimentale: Corrélation d images numériques (DIC) Emission Acoustique (EA) Bruit électrochimique (BE) Approche numérique : DIC : champs de déformation, K I, interactions, da/dt. Caractérisation de la propagation et simulation de la multifissuration Reference subset P (x 0, y 0 ) Q (x i, y i ) Reference Image DIC :Le principe P (x 0, y 0 ) Target subset Displacement vector Q (x i, y i ) Deformed Image Analyse de la propagation d une fissure par DIC [1] 6

7 Etapes du projet ECCOFIC 2 grands volets de travail: Approche expérimentale: Corrélation d images numériques (DIC) DIC :Le principe Reference subset P (x 0, y 0 ) Q (x i, y i ) P (x 0, y 0 ) Displacement vector Intérêts: Target subset Q (x i, y i ) o Champs de déplacements et de déformations o Identification de fissures: o Longueur, ouverture et profondeur de fissures. Reference Image Deformed Image o K I, K I Analyse de la propagation d une fissure par DIC [1] 7

8 Etapes du projet ECCOFIC 2 grands volets de travail: Approche expérimentale: Corrélation d images numériques (DIC) Emission Acoustique (EA) Bruit électrochimique (BE) Approche numérique : DIC : champs de déformation, K I, interactions, da/dt. Modélisations des interactions en 3D Basses températures et pressions (20 C - 1 bar) Moyennes températures et pressions (200 C - 20 bar) Hautes températures et pressions (350 C bar) 8

9 Contexte du projet Etapes du projet ECCOFIC Approche Expérimentale Basse température Moyennes températures et moyennes pressions Approche numérique Caractérisation 3D du comportement des fissures à partir de paramètres 2D Eprouvettes modèles multi-entaillées Conclusions et perspectives 9

10 Approche expérimentale: Expériences à bases températures : mise en œuvre des techniques expérimentales (DIC, EA et BE). Inconel 600 dans une solution de 0,01 M K 2 S 4 O 6 à ph 3 Charge constante (90 % σ y ) et/ou SSRT ( s 1 ) Cellule de corrosion Objectif télécentrique Capteurs EA Camera CCD Montage expérimental 10

11 Approche expérimentale: Expériences à bases températures : Inconel 600 dans une solution de 0,01 M K 2 S 4 O 6 à ph 3 Charge constante (90 % σ y ) DIC, OCP, EA Potentiel (V vs SCE) Stress (MPa) Strain (%) Amplitude ,0m -40,0m -60,0m -80,0m -100,0m -120,0m -140,0m -160,0m Time (s) ,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Suivi de la propagation d une fissure au cours de temps 11

12 Approche expérimentale: Choix des conditions expérimentales pour les essais à moyennes température et pression (200 C et 20 bars): Figure 1 : Domaines de fissuration a 200 C, concernant les alliages 304L et 316L, en fonction des teneurs en chlorures, sulfates et oxygène présentes dans le milieu [2] 304L, 10 ppm de NaCl + 1 ppm de Na 2 SO bars de O 2 12

13 Approche expérimentale: Choix des conditions expérimentales pour les essais à moyennes température et pression (200 C et 20 bars): 100 mm 1er essai: Flexion quatre points pendant 55 h dans un autoclave (sans hublot) 8 mm 15 mm AISI 304 L 10 ppm de NaCl + 1 ppm de Na 2 SO bars de O % σ y à 200 C 40 mm Montage de flexion quatre points Coalescence de fissures courtes 13

14 Contexte du projet Etapes du projet ECCOFIC Approche Expérimentale Basse température Moyennes températures et moyennes pressions Approche numérique Caractérisation 3D du comportement des fissures à partir de paramètres 2D Eprouvettes modèles multi-entaillées Conclusions et perspectives 14

15 Modélisation de la multi-fissuration: passage 2D-3D But Estimer en 3D la profondeur de fissures à partir de mesures de déplacements 2D par DIC 2a d b profondeur b DIC, cracks locations Strain fields on surface Surface visualisation view, from inside Identification de fissures Champs de déplacements 2D Estimation de la profondeur Obtention de K I à chaque point de la fissure 15

16 Modélisation de la multi-fissuration: passage 2D-3D Fissures elliptiques LEFM DIC Données solutions (Z-cracks - ONERA) sol Estimation de la profondeur sol 16

17 Eprouvettes modèles multi-entaillées But Développer et valider la modélisation des interactions entre fissures Entailles prismatiques 50 X 5 X 15 µm I Fond de l'entaille usinée par FIB 200 µm II 300 µm 50 µm 100 µm III I II III Matrice d entailles usinées par FIB 17

18 Conclusions et perspectives Conclusions: Mise en place d un montage expérimental permettant l obtention et le suivi de colonies de fissures de CSC à basse température. Validation du choix des systèmes pour les expériences à moyennes température et pression. Estimation de la profondeur des fissures à partir de données en 2D obtenues par DIC. Usinage de réseaux de micro-entailles modèles par FIB. 18

19 Conclusions et perspectives Perspectives: Etude du comportement de colonies de fissures à moyennes température et pression en autoclave, par DIC, EA et BE. Ressort de mis en charge Eprouvette (électrode de travail) V= 400ml Autoclave adapté pour mesures d EA, BE et DIC Hublot pour la DIC 19

20 Conclusions et perspectives Perspectives: Etude du comportement de colonies de fissures à moyennes températures et pressions en autoclave, par DIC, EA et BE. Implémentation d une bibliothèque de champs solutions (2D-3D) et validation sur les éprouvettes modèles multi-entaillées Détermination de la loi de propagation de fissures locale et/ou globale Contribution à l optimisation de la prédiction de vie rémanente des composants industriels (circuit primaire) 20

21 MATERIAUX 2014 [1] Mallory C. Casperson, Jay D. Carroll, John Lambros, Huseyin Sehitoglu, Robert H. Dodds Jr., Investigation of thermal effects on fatigue crack closure using multiscale digital image correlation experiments, International Journal of Fatigue, Volume 61, April 2014, Pages 10-20, [2] T. Couvant, E. Herms, P. Combrade, F. Vaillant, I. de Curieres, J.M. Boursier, O. Raquet, O. de Bouvier, Effect of chlorides and sulfates on the EAC of austenitic stainless steel in PWR environment, Proceedings of the 13th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems 2007, Whistler, British Columbia, Canada. 21